HappyEvening am 15.10.2008 Brennstoffzellen zur mobilen Energiebereitstellung T. Pröll 15.10.2008
Inhalt Grundlagen Zelltypen und Anwendungen PEM-Brennstoffzelle (Prinzip) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Zusammenfassung
Grundlagen Geschichte Stromgewinnung aus Brennstoffen Brennstoffzelle vs. Galvanische Zelle Elektrochemisches Potenzial (Zellspannung) Verhalten der belasteten Zelle Kennlinie
Geschichte Prinzip der Brennstoffzelle 1838 von C.F. Schönbein als Umkehrung der Elektrolyse entdeckt Erste Zelle von Sir William Robert Grove 1839 demonstriert
Stromerzeugung aus Brennstoffen Umwandlung von chemisch gebundener Energie in elektrische Energie Klassisch mit Umweg über Wärme und mechanische Energie (Verbrennungsmotor, Dampfprozess, etc.) Problem der begrenzten Umwandelbarkeit von Wärme Brennstoffzelle umgeht diese Problematik (teilweise) Basis von Wirkungsgradformulierungen ist der Heizwert Pel η m & H = + U Pel Q& el = m & H U ab
Prinzip der klassischen Brennstoffzelle
Brennstoffzelle vs. Galvanische Zelle Brennstoffzelle Energiewandler Elektroden sind Katalysatoren (Pt, etc.) Elektrolytzusammensetzung ist konstant Komplexe Reaktion an einer Dreiphasen- Grenzfläche (Gas- Katalysator-Elektrolyt) Galvanische Zelle Energiespeicher Elektroden reagieren chemisch Elektrolytzusammensetzung ändert sich Vergleichsweise einfache Zweiphasen-Reaktion (Elektrode-Elektrolyt)
Zellspannung Leerlaufspannung durch die Stoffeigenschaften und die Konzentrationen der Reaktionspartner bestimmt (Nernst-Gleichung) Praktische Zellspannung nimmt mit zunehmender Belastung (Strom) ab (Polarisationseffekte): Aktivierungspolarisation Konzentrationspolarisation Ohmsche Verluste
Verhalten der belasteten Zelle Beispiel Oxidkeramische Brennstoffzelle Zellspannung vs. Stromdichte Leistungsdichte vs. Stromdichte 1.0 X fuel = 85 % X air = 25 % S/C = 3.5 p = 0.5 MPa 2.0 IRSOFC temperature T = 1000 C T = 900 C Effective cell voltage [V] 0.8 0.6 0.4 0.2 IRSOFC temperature T = 1000 C T = 900 C T = 800 C T = 700 C Power density [kw. m -2 ] 1.5 1.0 0.5 T = 800 C T = 700 C X fuel = 85 % X air = 25 % p = 0.5 MPa S/C = 3.5 0.0 0.0 0 5000 10000 Current density [A. m -2 ] 0 5000 10000 Current density [A. m -2 ]
Inhalt Grundlagen Zelltypen und Anwendungen PEM-Brennstoffzelle (Prinzip) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Zusammenfassung
Zelltypen Fuel cell Electrolyte Operating temperature fuel gas catalyst poisons AFC KOH solution 70-260 C pure H 2 CO, CO 2 PEM Polymer membrane 50-120 C pure H 2 CO > 10 ppm PAFC H 3 PO 4 180-210 C H 2 CO > 0.5 %, H 2 S > 50 ppm MCFC molten alkaline carbonates SOFC solid oxide ceramics 800-1000 C 650 C H 2 /CO H 2 S > 0.5 ppm H 2 /CO (CH 4 ) H 2 S > 1.0 ppm Source: Larminie & Dicks, Fuel Cell Systems Explained, J. Wiley & Sons, 2000.
Inhalt Grundlagen Zelltypen und Anwendungen PEM-Brennstoffzelle (Prinzip) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Zusammenfassung
Proton Exchange Membrane (PEM) Brennstoffzelle (Aufbau) Anodenreaktion: H 2 2H + + 2e - Kathodenreaktion: ½O 2 + 2e - O 2- Summenreaktion: H 2 + ½ O 2 H 2 O
Inhalt Grundlagen Zelltypen und Anwendungen PEM-Brennstoffzelle (Prinzip) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Zusammenfassung
Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) Weiterentwicklung der H 2 - PEM-FC Flüssiger Einsatzbrennstoff CH 3 OH Anode: CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e - Cathode: Overall reaction: (3/2)O 2 + 6H + + 6e - 3H 2 O CH 3 OH + (3/2)O 2 CO 2 + 2H 2 O
Diskussion DMFC Wasser wird auf der Anodenseite verbraucht wird durch H 2 O-Durchlässigkeit der Membran bereitgestellt Diffusion von Methanol durch die Membran (methanol crossover) wird durch neue Membrantechnologie gering gehalten Katalysatorvergiftung durch CO CO kann durch Zugabe von Gold oder Ruthenium am Kat oxidiert werden Methanol ist toxisch und hochentzündlich solche Eigenschaften sind bei Kraftstoffen typisch
Performance DMFC EFOY 1600 Verbrauch (EFOY) 0.9 Liter/kWh Stromausbeute (EFOY) 1.1 kwh/liter Energiedichte CH 3 OH 4.4 kwh/liter Wirkungsgrad EFOY 25.3 % Heizwert Methanol 19.7 MJ/kg entspricht theoretisch mit Wirkungsgrad 25% 456.0 Ah/kg @ 12 V 114.0 Ah/kg @ 12 V
DMFCs in der Anwendung
Zusammenfassung Brennstoffzellen haben derzeit schon Vorteile wenn Batterien/Akkus ersetzt werden Wirkungsgrade von kleinen DMFC liegen mit 25% noch unter denen klassischer verbrennungsbasierter Prozesse Eher ein Durchbruch im Kleinstleistungsbereich zu erwarten (Handy, Laptop, etc.) als große stationäre Anwendungen